PODEn引燃天然气发动机燃烧特性研究

陈书郅,张光德,张鼎成

(武汉科技大学汽车与交通工程学院,湖北 武汉,430065)

降低内燃机污染物排放量以及减少对石油基燃料的依赖一直是内燃机相关领域的研究热点。天然气具有环保性好、储量丰富、使用成本低、辛烷值较高等优点,因而被广泛作为汽车代用燃料。与其他种类发动机相比较,天然气双燃料发动机的优点是使用燃料灵活、碳烟颗粒物和NOx排放有所减少、热效率较高以及燃烧噪声小,但它在中低负荷时也存在THC及CO排放高的问题[1-3]。虽然通过优化喷射正时[4-5]、喷射压力[6-7]、废气再循环(EGR)[8-9]和天然气替代率[10-11]等策略可以改善双燃料发动机的燃烧特性,但上述问题仍限制了天然气替代率的提高。中低负荷时,天然气双燃料发动机中混合气过稀,甲烷较低的层流燃烧速度和扩散率使得燃烧稳定性变差,导致THC及CO排放升高。Ogawa等[12]研究了当量比对一台由单缸柴油机改装成的天然气/柴油双燃料发动机的燃烧及排放的影响,结果表明:低负荷时,增大天然气当量比到0.5左右可以降低THC及CO排放量,提高热效率;高负荷时,增大进气压力可以延缓燃烧速率,降低NOx排放量,但会增加THC及CO排放量。Shim等[13]研究发现,通过节气门节流和进气加热来提高当量比和进气温度,不但可以改善双燃料发动机的燃烧效率及燃烧稳定性,还可以将THC和CO排放量分别降低38.3%和34.7%,但同时会使NOx排放量略微升高。Li等[14]通过试验研究了当量比对天然气发动机燃烧和排放的影响,结果表明,随着当量比的升高,CA10远离上止点,THC排放量显著减少,NOx排放量先增加后减少。

发动机引燃燃料的着火性能对提高天然气替代率起着关键作用。聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers, PODEn)是一种新型的柴油代用燃料,PODEn较高的十六烷值使得采用极少的引燃燃料就可以控制燃烧相位,从而缓解天然气双燃料发动机的失火倾向。Song等[15]进行了PODEn与柴油分别作为天然气双燃料发动机引燃燃料的对比研究,发现与柴油相比,PODEn实现了更低的THC、CO、NOx和碳烟排放以及更高的热效率,这说明PODEn是一种很有前途的天然气引燃燃料。

目前国内外研究新型燃料引燃天然气发动机燃烧特性的相关文献较少。当量比和引燃燃料的喷油时刻对天然气发动机低负荷时的燃烧过程、热效率及排放特性有很大影响,为此,针对天然气双燃料发动机在低负荷时THC及CO排放高、燃烧效率低和燃油经济性差等问题,本文将高活性引燃燃料PODEn作为天然气发动机的直喷燃料,通过调整进气压力来调节缸内的总当量比,利用仿真软件CONVERGE分析不同当量比和PODEn喷射时刻对低负荷工况下天然气双燃料发动机燃烧和排放的影响。

1 模型的建立与验证

1.1 模型的建立

本文以东风DCI11发动机为建模对象,发动机的基本技术参数如表1所示[15]。该发动机的喷油器为8孔等间距设计,燃烧室是轴对称结构。为了提高计算效率,本文以燃烧室的1/8为基准建立模型,计算区域采用45°的扇形区域,计算中忽略进排气过程,只模拟进气门关闭时刻至排气门开启时刻。燃烧室模型如图1所示。

表1 发动机技术参数

图1 燃烧室模型

发动机工作过程中,混合气在缸内会进行强烈且复杂的湍流运动,因此选择合适的数理模型对计算结果的准确性十分重要。本文湍流模型选用RNGκ-ε模型,液滴破碎模型选用KH-RT模型,液滴相互碰撞和聚集模型选用NTC模型,碰壁模型选用Rebound/Slide模型,碳烟模型选用Hiroyasu Soot模型,燃烧模型选用SAGE模型。文中用甲烷(CH4)表征天然气,用PODE3表征聚甲氧基二甲醚。计算时缸内燃烧采用Huang等[16]开发的PODE3/NG化学反应机理,包含了124种组分及650步反应。网格的基本尺寸设为4 mm,气缸盖、活塞以及喷雾区域采用2级嵌入式加密,在整个模拟过程中对气缸内部温度和流速进行2级自适应加密,运行到上止点时的气缸网格如图2所示。

图2 上止点时的气缸网格

1.2 模型的验证

模型验证采用的数据为Song等[15]提供的实验数据,模拟工况参数设置保持和实验一致,发动机转速为1 000 r/min,平均指示压力(IMEP)约为0.4 MPa。模拟实验中天然气由进气道喷射进入燃烧室,PODEn喷射压力固定在100 MPa,通过喷油器直接喷射到燃烧室内,具体的工况参数如表2所示。

表2 模型验证的工况参数

将模拟得到的气缸平均压力和放热率与实验数据进行对比,如图3所示。从图3可以看出,气缸平均压力模拟值和实验值的一致性比较好,同时,模型准确地预测了燃烧放热阶段的相位和放热率峰值,放热率曲线与实验值的整体吻合度也较高。以上结果验证了仿真模型的准确性。

图3 模型验证结果

2 结果与分析

2.1 当量比对发动机燃烧与排放的影响

天然气发动机在低负荷工况下运行时通常是处于稀薄燃烧状态,总燃空当量比则决定了稀薄燃烧的效果。初始缸内状态影响缸内混合气的浓度分布,还影响缸内燃料的着火时刻、燃烧速率和污染物的生成。下面通过模拟计算来研究燃空当量比对发动机燃烧与排放的影响。在RCCI燃烧模式下,天然气混合气在缸内均匀分布,缸内初始压力与进气压力相近,缸内初始压力和初始温度共同决定了进气量,通过调节进气压力来改变燃空当量比。在低负荷工况下,设置天然气替代率为80%,发动机转速为1 000 r/min,IMEP为0.4 MPa,调节进气压力使PODEn和天然气总当量比从0.38变化到0.70,对天然气发动机燃烧和排放性能进行对比研究。

当量比对缸内压力、放热率、滞燃期和燃烧持续期的影响如图4～图6所示。由图4可知,随着当量比的升高,缸内压力整体降低,燃烧相位推迟。由图5可知,随着当量比的升高,放热率峰值先升高后降低,缸内着火时刻推迟。这是因为当量比升高意味着燃烧室内混合气浓度升高,从而使混合气燃烧做功增加,放热率峰值升高;而在当量比从0.50增加到0.70时,缸内较低的初始压力导致燃烧相位远离上止点,放热率峰值反而下降。由图6可知,随着当量比的升高,滞燃期延长,着火时刻推迟,当量比升高到0.63时,燃烧持续期降低较多,这是因为缸内总燃空当量比明显升高,滞燃期延长使得天然气与空气混合更加均匀,天然气预混燃烧的比例增加,燃烧速率加快导致燃烧持续期减少;当量比升高到0.70时,虽然缸内油气混合更加均匀,但缸内初始压力较低,滞燃期明显延长,着火时刻滞后,天然气后期燃烧速率变慢,燃烧持续期也在延长。

图4 不同当量比下的缸内压力曲线

图5 不同当量比下的放热率曲线

图6 当量比对滞燃期和燃烧持续期的影响

图7是不同当量比下位于不同曲轴转角时的缸内温度分布云图。随着当量比从0.38增至0.63,PODEn周围更多的混合气参与了燃烧,15°CA ATDC时缸内产生更多的燃烧高温区域。当量比从0.63增至0.70时,由10°CA ATDC到15°CA ATDC的缸内温度变化可以看出,燃烧室高温分布区域面积减少,缸内燃烧持续期变长,缸内温度降低。当量比为0.70时,燃烧室内的低温区域较多,且主要集中在燃烧室中心。

图7 不同当量比下的缸内温度分布

图8、图9为不同当量比下的缸内平均温度和累计放热量变化曲线。随着当量比的升高,缸内平均温度峰值呈现先升高后降低的变化趋势,总燃空当量比为0.63时,缸内平均温度最高。总燃空当量比升高越快,缸内平均温度升高也越快,这是因为当量比越高,混合气就越浓,滞燃期增加,燃烧时火焰传播速率升高,天然气燃烧更完全,使得温度峰值更高。当量比为0.70时,缸内初始压力较小,燃烧持续期变长,化学反应速率较慢,放热缓慢,缸内温度下降。随着当量比的升高,总放热量增加,当量比从0.63增至0.70时,累计放热量没有明显变化,燃烧效率接近,这是因为燃烧放热远离上止点,燃烧速率降低,放热速率减慢,缸温上升也减慢。

图8 不同当量比下的缸内平均温度变化曲线

图9 不同当量比下的累计放热量曲线

图10为不同当量比下的发动机指示热效率。由图10可知,指示热效率随着当量比的增加整体呈现上升趋势;当量比为0.63时,发动机指示热效率最高;当量比由0.38增加到0.43时,指示热效率增加约13%,上升速率最快。这是因为,随着缸内总燃空当量比的增大,缸内局部高当量比区域增多,着火点增多,天然气初期预混合燃烧量增大。同时,进气量的减少导致缸内空气热容降低,缸内平均温度有所升高,有助于火焰的传播,使得未完全燃烧产物减少,燃烧效率进一步升高,指示热效率随之升高。当量比从0.63增加到0.70时,指示热效率反而下降,这是由于初始缸压较低,滞燃期延长,发动机做功不均匀,导致指示热效率降低。

图10 当量比对指示热效率的影响

图11所示为当量比对发动机CO和HC排放的影响,可以看到,随着当量比的升高,CO和HC排放逐渐降低。当量比由0.38增至0.50时,CO和HC排放大幅减少,这是因为当量比增加使得缸内燃烧温度升高,促进了缸内油气分子的化学反应,加快了CO和HC的氧化。这期间缸内的燃烧过程大部分都是在上止点附近完成的,在低负荷工况下,天然气处于稀薄燃烧状态,大部分低当量比区域的空气含量减少,天然气浓度增加,燃烧速率变快,CO排放减少明显。同时,缸内温度增加有利于火焰传遍整个燃烧室,温度较低区域的气缸盖与气缸壁面处可燃混合气淬熄现象减少,使得未燃天然气和HC排放减少。由此可见,进气节流可以有效改善HC和CO的排放。

图11 当量比对HC和CO排放的影响

图12为当量比对发动机NOx和soot排放的影响。随着当量比升高,soot排放降低,NOx排放呈现先升高后降低的变化趋势。这是由于NOx生成的基本条件是高温、富氧,当量比从0.38增加到0.63时,天然气仍然是富氧燃烧,缸内温度上升,进气节流促进了高温区域生成,因此NOx生成区域增加。随着当量比从0.63增加到0.70,缸内温度降低,NOx排放减少。

图12 当量比对NOx和soot排放的影响

如图13为曲轴转角为30°CA ATDC时不同当量比下缸内CH4分布云图。当量比从0.38增加到0.63时,缸内剩余CH4的燃烧越来越完全,未燃CH4排放减少,且主要分布在靠近燃烧室喉口处以及活塞与燃烧室壁面的余隙中。当量比越低,燃烧室内温度越低,燃烧室喉口附近CH4燃烧较慢,存在少量CH4。当量比为0.7时,因为天然气燃烧持续期延长,CA90出现时刻较晚,CH4由喉口处向燃烧室中心和气缸壁处扩散燃烧。

图13 上止点后30°时不同当量比下的CH4分布

2.2 喷射时刻对发动机燃烧与排放的影响

为了优化天然气的燃烧状况,下面探究PODEn喷射时刻对天然气发动机燃烧和排放性能的影响。模拟工况:发动机转速为1000 r/min,IMEP为0.4 MPa,天然气替代率为80%,进气温度为310 K,进气压力为0.1 MPa,PODEn的喷射时刻(start of injection, SOI)从-18°CA ATDC到0°CA ATDC变化。

图14为PODEn喷射时刻不同时的缸内压力及放热率变化情况。随着SOI的提前,燃料着火时刻提前,燃烧相位前移,缸内压力和放热率峰值均先升高后降低,放热率曲线呈现两阶段放热现象,第一个阶段是PODEn预混合燃烧形成的,第二个阶段是由PODEn点燃预混合天然气燃烧形成的。这是因为,PODEn具有更高的十六烷值,其着火滞燃期较短,引燃燃料的燃烧和CH4的燃烧有明显的区分。SOI为-10°CA ATDC时,放热率峰值最高,随着喷射时刻的进一步提前,放热率峰值降低,这是因为,在低负荷工况下,发动机缸内温度较低,喷射时刻过早导致引燃燃料扩散,点火能量较微弱,故而放热率峰值降低。

图14 PODEn喷射时刻不同时的缸内压力和放热率曲线

图15为PODEn喷射时刻不同时的缸内平均温度变化情况。随着SOI的提前,缸内平均温度峰值先升高后降低,总体来看与缸压变化趋势相同。喷射越早,缸内平均温度提升越快;喷射时刻为-10°CA ATDC时的缸内平均温度峰值最高,天然气燃烧更完全。

图16所示为PODEn喷射时刻对发动机CO和HC排放的影响。随着SOI的提前,CO排放增加,HC排放呈现先降低后升高的变化趋势。CO和HC在SOI=-10°CA ATDC时的排放量均较低,主要原因是,此条件下缸内温度最高,燃烧状况最好。过早或推迟喷射PODEn时,燃烧相位推迟,缸内温度有所下降,使得未燃HC和CO的氧化减弱。引燃燃料适当的晚喷有利于减少HC和CO的排放,喷射过早和过晚都会使缸内残余燃料过多,HC排放升高,这从一个侧面说明燃烧温度和来自余隙中的残余燃料是影响HC排放的主要因素。

图16 SOI对发动机HC和CO排放的影响

图17所示为PODEn喷射时刻对发动机NOx和soot排放的影响。随着SOI的提前,soot排放上升,NOx排放呈现先升高后降低的变化趋势。这是因为,以SOI=-10°CA ATDC左右为临界点,提前和推迟喷射PODEn都会造成缸内温度和压力的下降,燃烧变得柔和,NOx排放降低。由于PODEn的十六烷值较高,随着SOI的提前,放热率峰值升高,放热集中,放热率曲线逐渐由双峰变为单峰(见图14),缸内压力提高过快不利于碳烟的氧化,使碳烟的生成速率升高。同时,喷射时刻过分提前会使混合气过稀,燃烧温度下降,也导致碳烟排放上升。

图17 SOI对发动机NOx和soot排放的影响

3 结论

(1)PODEn引燃天然气发动机在低负荷工况下,随着总燃空当量比的增加,滞燃期延长,瞬时放热率峰值先增大后减小,发动机指示热效率先升高后降低,当量比为0.63时发动机指示热效率最高。适当进气节流可以有效降低HC、CO和soot的排放,延长燃烧持续期可以兼顾NOx排放。

(2)随着PODEn喷射时刻的提前,燃料的燃烧相位提前,瞬时放热率峰值先增大后减小,SOI=-10°CA ATDC时,缸压和放热率峰值均较高,CO和HC排放均较低。NOx排放随着PODEn喷射时刻的提前呈现先升高后降低的变化趋势,而soot排放则随之升高。过早和过晚的喷射时刻都不利于缸内天然气燃烧。

(3)低负荷时,用高十六烷值和高含氧量的PODEn引燃天然气有望实现天然气高替代率,缓解天然气双燃料发动机的失火倾向。优化进气条件,提升当量比,可以促进天然气的完全燃烧,减少HC和CO排放,提高发动机热效率,并能兼顾碳烟和NOx排放。